单片机应用系统常见干扰产生的原因与抗干扰技术分析

张志

摘要：针对单片机系统在日常应用中的受到干扰因素进行分析，介绍了影响单片机系统运行的干扰源，最后得出通过硬件和软件两个方面提高单机片系统抗干扰性的结论。

关键词：单机片；干扰；抗干扰技术

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）06-0214-02

单片机已经被广泛地应用在工业测控领域中，并且其具有价格低、体积小、功能灵活等诸多优点，因此其在生产过程中、工业自动化以及仪器领域中都得到了广泛应用。单片机应用范围的扩大对其可靠性提出了更高的要求，其中抗干扰是一项重要内容，因此在单片机系统的应用过程中必须要做好抗干扰研究，确保单片机系统运行的稳定性。

1 抗干扰技术的重要性

微机测控系统经常需要在恶劣的环境下工作，对其进行应用要注意对安全性和可靠性问题的研究。微机测控系统在运行过程中必须能可靠、长期、稳定运行，否则在运行过程中很有可能因为控制上出现误差，影响系统运行的可靠性，情况严重时可能会导致系统失控，造成严重的后果。测控系统在受到干扰后，引起的后果主要表现在以下几个方面：

1）采集到的数据的误差扩大，干扰侵入到微机系统测量单元的内部，对输出通道的信号进行模拟，模拟信号会与有用信号发生叠加，这将会导致采集到的信号误差进一步扩大，尤其是传感器所传输的信号较弱时，干扰将会变得更加严重，对系统的影响也会进一步加剧。

2）由于受到干扰，数据发生变化，单片机系统中应用的RAM存储其不仅是可读的，同时也可写，因此在应用过程中，一旦遭受到干扰，RAM中所存储的数据不仅会泄漏，并且面临着被篡改的风险。

3）程序无法正常运行，存在于单机片系统中的程序计数器，其正常运行是维护系统能够正常运行的关键。如果单片机系统在运行过程中遭受到干扰，PC值将会发生变化，遭受干扰后的PC值会的无法估量的，因此十分容易导致程序出现混乱，程序无法正常运行。

4）控制失灵，干扰会使单片机系统的输出无法进一步加大，导致单片机系统的逻辑状态受到外界因素的影响，最终将会使系统失去控制。

5）损坏硬件，单片机在运行过程中经常会出现故障，情况不严重时会对产品的产量和质量造成影响，情况严重时将会对设备造成损坏，引发生产事故。

2 影响单片机系统运行的干扰源

1）单片机系统自身干扰

单片机系统自身存在干扰源的主要原因是在系统设计过程中，针对其中的一些问题考虑不周全。例如，电路工作不可靠、布局存在问题，或元器件本身质量存在问题，在应用过程中，产生半导体散粒噪声干扰、过程通道干扰、接触噪音干扰等。出现的这些干扰现象随着流动元器件电流的增加会变得更加明显，噪声电流通过系统电路将会对系统造成影响，造成的主要后果是导致控制精准度下降。

2）电磁干扰

现代工业现场会存在许多电磁干扰源，不同类型的干扰源都会对单片机系统的应用造成影响。例如，动力断路器断弧过程中出现了多次复燃的情况，电容谐振、电磁线圈电感的分布、工频输电线周围存在功能强大的磁场和变电场以及来自太阳等自然天体所释放出的辐射的电磁波和地球本身存在的磁场都可以归纳为电磁干扰。电磁干扰过程中，干扰信号通过回路之间互感耦合或信号所通过的导线进入到控制系统中。单片机系统在运行过程中如果受到电磁干扰，轻则使控制系统的运行出现误差，重则将会对系统造成破坏，导致系统无法运行，一切的生产工作都必须停止。

3）供电系统干扰

工业现场会存在许多运行的设备，这些设备功率普遍较大，尤其是一些感性负载较大的设备在启动过程中，应用电压较大，电网和电压会出现大幅度的下陷与浪涌，各别时候可能会出现长时间的欠压、过压、尖峰电压等情况，这些故障很容易通过线路的方式完成传输，最终将会进入到控制系统中，在以上干扰中，过压干扰是造成后果最严重的一种干扰。

3 抗干扰的硬件技术与软件技术

3.1 抗干扰的硬件技术

1） “看门狗”技术

“看门狗”技术就是利用CPU对定时器进行控制，对软件及系统的运行状态进行动态监控，“看门狗”可以分为Ⅰ级“看门狗”和Ⅱ级“看门狗”。

Ⅰ级“看门狗”定时器A的定时长度为t1，主程序的一个循环周围为T，针对t1和T进行设计，T

Ⅱ级“看门狗”是一种相对比较完善的设备，对其进行应用可以使系统恢复到一个相对理想的状态。在对Ⅱ级“看门狗”中使用的定时器B进行定义时，时长为t2，设计t2的大小为0t1>T，0

2） 远端强制复位技术

远端强制复位技术主要在单片机动机通讯中应用，主机帮助从机复位。该技术的应用并会占用大量的系统资源，在设计程序过程中，也不会存在大量的多余语句。进行一个电控电路设计，通过监控主机向从机传输命令。对工作的时序进行合理安排， 每隔一段时段，主机都会相从机发出各种命令，并且从机会予以相应的相应。如果单片机系统在实际运行过程中，从机因为受到干扰而失控，主机则可以通过应答命令的具体情况进行判断，然后对其控制操作暂停一段时间。从机通道监视电路无法接收到信号，控制复位电路在运行过程中将会形成复位信号，从而使单片机系统复位。

以上是单片机系统在运行过程中比较常用的抗干扰硬件技术，此外，在实际操作过程中，还可以针对干扰单机片系统运行的干扰源的不同，采取具有针对性的干扰措施。例如，针对电磁给系统运行造成的干扰，在处理上可以通过对易遭受干扰设备或电路进行屏蔽，或对产生干扰电磁的辐射源进行屏蔽，起到抑制干扰的效果。针对工程通道所造成的干扰，在处理上可以通过采用双绞线传输或光电耦合隔离发方式进行抗干扰处理。而对于供电系统所引起的干扰，在处理上可以通过分立式供电、交流稳压器等方式。

3.2 抗干扰的软件技术

单片机程序可以井然有序的进行，但是要提高程序在运行过程中的可靠性和安全性必须要以下内容。第一，硬件的基础必须安全可靠，硬件要具有足够的能力承担系统在运行过程中所产生的压力。第二，系统中所使用软件也必须安全可靠，软件的可靠性主要体现初始化存储器和足够的容错设计。

1）初始化存储器

在单片系统运行过程中，需要存储大量的数据信息，并且要处理大量的存储问题。因此，单片机应用系统在运行过程中，数据存储在系统中发挥着重要作用。在单片机刚通电时，数据存储器与单片机系统运行都会表现出不稳定性，如果在运行过程中对数据存储器进行直接应用，需要注重对数据存储器初始化对比，提高软件可靠性。

2）足够的容错设计

尽管单片机系统在运行过程中存在许多抗干扰机制，但是由于其应用的环境复杂程度高，环境恶劣，因此在对其进行应用中，采取必要的抗干扰措施是必要的。除了外界因素对单片机系统的运行会造成干扰外，一些硬件因素和人为因素也会对其运行造成不同程度的干扰。例如，硬件出错，操作出错等原因。因此，软件设计过程中，要保留足够的容错设计空间，在单片机应用系统在运行过程中，如果遭受到了非正常激励信号，足够的容错设计可以屏蔽掉大量的非正常激励信号，对于没有屏蔽掉的非正常激励信号，利用软件容错设计可以进行优化处理，从而使单片机在遭受到非正常激励信号干扰时，仍然能够保持正常运行，并且足够的容错设计，可以大幅度降低干扰对应用系统所造成的不良影响。

3）设计软件陷阱技术

目前使用设置软件陷阱的方法对紊乱程序进行拦截，将计数器引向一个指定的位置，然后在对程序执行过程中的错误进行处理。下面，针对为陷阱设计的一般运用方案。ERROR是指定位置，在对出错程序软件陷进进行处理时，可以将其安排在以下几个区域内进行。①未使用的中断向量区，当干扰程序对未使用的中断开放去进行应用时，对这些中断进行激活，通常会导致程序的运行发生紊乱，及时完成对错误进行捕捉的方法就是将软件陷阱设置在中断位置。②软件程序数据区，对紊乱程序的解决通过指令冗余技术完成，也可进行软件陷阱设计，避免程序发生紊乱。单片机程序通常都采用模块化设计，设计需要通过一系列指令完成，因此不能在指令中随意设置陷阱，通常将陷阱处理软件分布在不同应用模块的空余数据单元中。正常运行的程序不会执行存缺陷对软件指令，如果程序因为紊乱而进入陷阱区，系统则会自动将程序引入到正确的计数器上，确保系统运行的可靠性。

4）监视跟踪定时器

如果程序在运行过程中进入了死循环状态，上述所有的方法都无法解决该情况，此时应当应用监视跟踪定时器对遇到的问题进行解决，该技术实质上就是对程序的循环时间进行动态监视，如果时间间隔已经超出了循环所设定的固定的时间间隔，则可以判断程序已经进入了死程序中，跳转指令，完成对相关出错处理指令的添加，从而使系统的运行恢复正常。

4 总结

抗干扰技术是单片系统运行过程中的一个重要环节，在对抗干扰技术的分析上要合理地将硬件和软将杆干扰技术合理的结合在一起，针对不同的单片机应用系统所遭受的干扰，采取针对性的处理措施，确保系统运行的可靠性。

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